EP3762246B1 - Fahrzeug mit zumindest einem elektrochemischen energiespeicher - Google Patents

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EP3762246B1
EP3762246B1 EP19710642.0A EP19710642A EP3762246B1 EP 3762246 B1 EP3762246 B1 EP 3762246B1 EP 19710642 A EP19710642 A EP 19710642A EP 3762246 B1 EP3762246 B1 EP 3762246B1
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EP
European Patent Office
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vehicle
circuit
temperature
electrochemical energy
fluid
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EP19710642.0A
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Arne-Christian Voigt
Bastian Schaar
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication date
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a vehicle with at least one electrochemical energy store according to the preamble of patent claim 1 of the invention.
  • the electric motor drive which is supplied with electrical energy from one or more electrochemical storage elements such as accumulators or batteries, is becoming increasingly important.
  • the motor vehicle can be operated exclusively by means of one or more electric motor drives or, as a so-called hybrid or plug-in hybrid vehicle, can have both an internal combustion engine and one or more electric motors for driving.
  • Li-ion accumulators are increasingly being favored by experts as so-called traction batteries or drive batteries, which for their part advantageously have no memory effect and low self-discharge.
  • a device attachable to a base structure of an electrical component for guiding a cooling fluid Said device has a flat, rectangular trough which can be closed by means of a lid.
  • the tub with the aid of the cover forms a fluid-guiding chamber which is connected or can be connected to a coolant circuit by means of cooling-fluid lines.
  • the fluid guiding chamber is formed by a plurality of walls. Through the intermediary of the cover, the trough contacts the base structure of the electrical component.
  • the DE 10 2013 011 894 A1 describes a receiving device for receiving at least one energy storage component.
  • Said receiving device has at least one frame-shaped receiving part, which forms several receiving compartments.
  • Another receiving part with a cooling device is assigned to the receiving part.
  • the at least one energy storage component is placed on the further receiving part.
  • the further receiving part has a trough-like shape with a base area and vertically protruding edges.
  • a coolant channel structure is formed by elongate, meandering depressions, which has a coolant inlet and a coolant outlet.
  • a plate-shaped cover element is assigned to the further receiving part in order to close off the coolant channel structure at the top.
  • the plate-shaped cover element consists of a metal with good thermal conductivity, such as aluminum.
  • the receiving part is also assigned a closure part which covers the at least one energy storage component at the top.
  • the DE 10 2011 076 737 A1 describes a device for providing electrical energy, with an electrochemical energy store, in particular a traction battery, and with a fuel cell arrangement for generating electrical energy.
  • the electrochemical energy store is or can be thermally coupled to the fuel cell arrangement by means of a heat transfer arrangement.
  • a heating device (PTC heating) of the fuel cell and the electrochemical energy store are arranged in a first fluid system and the fuel cell is arranged in a second fluid system.
  • the heating device (PTC heating) of the fuel cell and the fuel cell are arranged in the first fluid system and the electrochemical energy store is arranged in the second fluid system.
  • the two fluid systems are thermally coupled to one another via a heat exchanger designed as a separate component.
  • the DE 10 2011 121 245 A1 discloses a system for conditioning an energy storage system, such as a high voltage battery or fuel cell, by heating or cooling.
  • a heating unit and a cooling unit are provided for this purpose, which are thermally coupled to the energy storage system.
  • the heating unit may include one or more heating elements in close proximity to various portions of the energy storage system.
  • the heating unit is formed by heating elements, water jackets, heating pads, heating mats or the like.
  • the cooling unit may include one or more cooling elements in close proximity to various portions of the energy storage system.
  • the cooling unit is formed by cooling fans, water jackets, air passages, heat sinks, thermoelectric coolers, condensers or the like.
  • the U.S. 2017/282676 A1 discloses an electrochemical energy store with two heat exchangers, which are connected to two tempering fluid circuits.
  • the object of the invention is to create a vehicle with at least one electrochemical energy store, which vehicle enables an alternative temperature control of the electrochemical energy store with regard to the prior art.
  • thermochemical energy store direct and therefore efficient and safe temperature control of the electrochemical energy store is made possible with minimized investment outlay and installation space.
  • provision of at least two tempering fluid circuits enables a simple and cost-effective representation of both a heating and a cooling functionality in order to provide the best possible possible temperature operating window for the electrochemical energy store.
  • This measure advantageously makes it possible to reach the electrochemical energy store at particularly cold temperatures with the aid of the high-temperature circuit (HT). of the optimal temperature operating window and then to keep this optimal temperature operating window with the help of the low-temperature circuit (LT).
  • the high-temperature circuit is formed by a cooling circuit of a fuel cell arrangement or is integrated into one. This enables the waste heat from the fuel cell arrangement to be coupled directly into the electrochemical energy store.
  • a fluid stream with temperatures between 80°C and 120°C circulate in the high-temperature circuit (HT) and a fluid stream with temperatures between 10°C and 30°C circulate in the low-temperature circuit (LT).
  • the at least one high-temperature circuit (HT) and the at least one low-temperature circuit (LT) are integrated separately from one another in said heat exchanger, which simplifies temperature control.
  • the fluid streams of the at least one high-temperature circuit (HT) and the at least one low-temperature circuit (LT) are combined at least temporarily within said heat exchanger by the temperature control fluids of the two temperature control fluid circuits being mixed in the heat exchanger, so to speak , whereby the performance of the temperature control can be further improved.
  • the high-temperature circuit is preferably formed by a cooling circuit of an internal combustion engine and/or a fuel cell arrangement or is integrated into such. This enables the waste heat from the internal combustion engine and/or the fuel cell arrangement to be coupled directly into the electrochemical energy store.
  • the low-temperature circuit (LT) is formed by a known air conditioning circuit that is usually present anyway, in particular for air conditioning the passenger compartment of the vehicle, or is integrated into such a circuit, thereby reducing the investment outlay.
  • air conditioning is understood to mean both cooling and heating.
  • the tempering fluid circuits are preferably designed to be flow-controlled by the respective fluid flow through the heat exchanger as a function of detected temperatures, in particular of the electrochemical energy store, and with the aid of known control and regulation technology is opened, throttled or closed.
  • the same is formed by a housing base and/or a housing wall and/or a housing cover of the housing of the electrochemical energy store or is attached to said housing directly or indirectly via heat transfer means as a built-in or add-on part.
  • the vehicle described above is preferably a hybrid or plug-in hybrid vehicle or an electric vehicle which has at least one range extender, said range extender being formed by an internal combustion engine and/or a fuel cell arrangement .
  • a vehicle has at least one electric drive, which is supplied with electrical energy by means of at least one electrochemical energy store in the form of a so-called high-voltage battery (HV battery) functioning as a traction battery.
  • HV battery high-voltage battery
  • FIG. 1 shows extremely schematically a vehicle equipped according to the invention with temperature control of an electrochemical energy store.
  • a highly schematically represented vehicle in the form of a passenger car is provided with the reference number 1 and a highly schematically represented, rechargeable electrochemical energy store in the form of a high-voltage battery (HV battery/accumulator) functioning as a traction battery is provided with the reference number 2 .
  • Said electrochemical energy store 2 essentially serves to supply at least one electric drive motor (not shown in the drawing) with electrical energy.
  • the vehicle 1 has an extremely schematically illustrated Fuel cell assembly 3 on.
  • the efficiency of electrochemical energy stores 2 is temperature-dependent and decreases sharply at low temperatures.
  • heat is introduced into the system due to electrical power loss in current-carrying components, which heat can lead to a high thermal load on the electrochemical energy stores 2.
  • a means for tempering, i.e. heating and possibly cooling, of the electrochemical energy store 2 in the form of at least one heat exchanger 4 is provided.
  • the heat exchanger 4 is integrated into a housing 5 of the electrochemical energy store 2 and is connected to at least two, in this case a first and a second, tempering fluid circuit 6 , 7 of the vehicle 1 .
  • the heat exchanger 4 is an integral part of a housing base 5a in such a way that separate fluid channels 8, 9 are incorporated in the same, which are each connected to one of the tempering fluid circuits 6, 7.
  • the invention is not limited to said housing base 5a, but also includes configurations that additionally or solely provide one or more housing walls 5b or a housing cover 5c, in which the heat exchanger 4 is an integral part thereof (not shown in the drawing).
  • solutions are also covered by the invention in which the heat exchanger 4 is designed as a built-in or add-on part and is attached to the housing 5 by contacting it directly or indirectly via a heat transfer medium, such as a heat-conducting foil or the like (not shown in the drawing).
  • a heat transfer medium such as a heat-conducting foil or the like
  • the first tempering fluid circuit 6 of the vehicle 1 is a high-temperature circuit (HT), whereas the second tempering fluid circuit 7 of the vehicle 1 is formed by a low-temperature circuit (LT) or is integrated into such a circuit.
  • a temperature control fluid circulates within each of the temperature control fluid circuits 6, 7. The fluid flow is brought about by means of a circulation pump 10 in each case.
  • the first tempering fluid circuit 6 serves to cool the fuel cell arrangement 3.
  • the fluid channel 8 of the housing floor 5a, an expansion tank 11 and the front of the vehicle 1, a vehicle cooler 12 known per se with a fan 13 are integrated into this first tempering fluid circuit 6.
  • the fluid channel 8 is expediently arranged in the return line of the fuel cell arrangement 3 .
  • a fluid stream with temperatures between approximately 80° C. and approximately 120° C. circulates in the first tempering fluid circuit 6 or high-temperature circuit (HT).
  • these temperatures are particularly well suited to quickly heating the electrochemical energy store 2 to a so-called feel-good temperature in an optimal temperature operating window of approximately 10° C. to approximately 30° C.
  • the fluid flow in the first tempering fluid circuit 6 or high-temperature circuit (HT) is flow-controlled by means of valves 14 known per se, in particular 3/2-way valves, which are preferably controlled by means of an electronic control unit, not shown in the drawing, as a function of current temperatures recorded by means of temperature sensors, not shown in the drawing of the electrochemical energy store 2 and/or the tempering fluid and/or the detected outside temperature.
  • the second tempering fluid circuit 7 or low-temperature circuit (LT) of the vehicle 1 is formed by a known air conditioning circuit that is usually present in the vehicle 1 or is integrated into such a circuit by being routed through the fluid channel 9 of the housing base 5a.
  • a known air conditioning circuit that is usually present in the vehicle 1 or is integrated into such a circuit by being routed through the fluid channel 9 of the housing base 5a.
  • valves 14 and sensors of a preferably electronic control unit, a circulation pump 10, a possible expansion tank 10 and any other necessary devices of the second tempering fluid circuit 7 have not been shown, since these are not essential to the invention.
  • a fluid flow with temperatures between approximately 10° C. and approximately 30° C. circulates in the second tempering fluid circuit 7 or low-temperature circuit (LT). This is particularly well suited to keeping the electrochemical energy store 2 at the said comfortable temperature in the optimal temperature operating window of about 10°C to about 30°C.
  • the Fluid Flow in the second tempering fluid circuit 7 or low-temperature circuit (LT) is preferably likewise flow-controlled.
  • the exemplary embodiment described above is based on two temperature control fluid circuits 6 , 7 that are separate from one another within the heat exchanger 4 .
  • the tempering fluid flows of the tempering fluid circuits 6, 7 or the high and low temperature circuits (HT, LT) are at least temporarily combined within the said heat exchanger 4 (not shown in the drawing shown). That is to say, the tempering fluids of the two tempering fluid circuits 6, 7 are mixed, so to speak, in a common fluid channel of the heat exchanger 4, as a result of which, as already explained above, the performance of the temperature control can be further improved.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit zumindest einem elektrochemischen Energiespeicher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 der Erfindung.
  • In der jüngeren Vergangenheit werden aufgrund des ständig knapper werdenden Angebotes an Kraftstoffen für den verbrennungsmotorischen Antrieb von Kraftfahrzeugen große Anstrengungen unternommen, alternative Antriebsarten zur Verfügung zu stellen. Zunehmend an Bedeutung gewinnt dabei der elektromotorische Antrieb, der aus einer oder mehreren elektrochemischen Speicherelementen, wie Akkumulatoren bzw. Batterien, mit elektrischer Energie versorgt wird. Das Kraftfahrzeug kann dabei ausschließlich mittels eines oder mehrerer elektromotorischer Antriebe betrieben werden oder als sogenanntes Hybrid- oder Plug-in-Hybrid-Fahrzeug zum Antrieb sowohl einen Verbrennungsmotor als auch einen oder mehrere Elektromotoren aufweisen. Durch die Fachwelt werden in immer stärkerem Maße Li-Ionen-Akkumulatoren als sogenannte Traktionsbatterien respektive Antriebsbatterien favorisiert, die ihrerseits vorteilhaft keinen Memory-Effekt und eine geringe Selbstentladung aufweisen. Ungeachtet dessen ist der Wirkungsgrad derartiger Akkumulatoren bzw. Batterien temperaturabhängig und nimmt bei niedriger Temperatur stark ab. Darüber hinaus ist festzustellen, dass im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs sowie in der Ladephase derartiger Batterien oder Batteriesysteme durch elektrische Verlustleistung in stromführenden Bauteilen Wärme in das Batteriesystem eingetragen wird, die zu einer hohen thermischen Belastung der Batterien führen kann. Durch den Betrieb der Batterie bei hohen Zellentemperaturen ist bekanntermaßen eine beschleunigte Alterung der Batteriezellen zu verzeichnen, welches mit einer verkürzten Lebensdauer des Batteriesystems einhergeht. In extremen Fällen kann eine zu hohe Zelltemperatur zum sogenannten Durchbrennen der Batteriezellen und somit zu einem Defekt des Batteriesystems führen. Diese Umstände erfordern Temperierungsmaßnahmen des Batteriesystems, um eine hohe Lebensdauer desselben zu erzielen sowie ein mittels Elektromotor angetriebenes Kraftfahrzeuge sicher betreiben und als Serienfahrzeuge umsetzen zu können.
  • So beschreibt die DE 10 2011 084 000 A1 eine an einer Bodenstruktur einer elektrischen Komponente anbringbare Vorrichtung zum Führen eines Kühlfluids. Die besagte Vorrichtung weist eine flache rechteckige Wanne auf, die mittels eines Deckels verschließbar ist. Die Wanne bildet unter Zuhilfenahme des Deckels eine Fluidführungskammer aus, welche mittels Kühlfluidleitungen an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen bzw. anschließbar ist. Die Fluidführungskammer ist durch eine Mehrzahl von Wänden gebildet. Unter Vermittlung des Deckels kontaktiert die Wanne die Bodenstruktur der elektrischen Komponente.
  • Die DE 10 2013 011 894 A1 beschreibt eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme wenigstens einer Energiespeicherkomponente. Besagte Aufnahmevorrichtung weist wenigstens ein rahmenförmiges Aufnahmeteil auf, welches mehrere Aufnahmeabteile ausbildet. Dem Aufnahmeteil ist ein weiteres Aufnahmeteil mit einer Kühleinrichtung zugeordnet. Auf dem weiteren Aufnahmeteil ist die wenigstens eine Energiespeicherkomponente abgestellt. Das weitere Aufnahmeteil weist eine wannenförmige Gestalt mit einer Grundfläche und lotrecht abragenden Rändern auf. In der Grundfläche des weiteren Aufnahmeteils ist eine durch längliche, mäandernd verlaufende Vertiefungen eine Kühlmittelkanalstruktur ausgebildet, welche einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass aufweist. Dem weiteren Aufnahmeteil ist ein plattenförmiges Abdeckelement zugeordnet, um die Kühlmittelkanalstruktur nach oben hin zu verschließen. Das plattenförmige Abdeckelement besteht aus einem thermisch gut leitfähigem Metall, wie z.B. Aluminium. Dem Aufnahmeteil ist ferner ein Verschlussteil zugeordnet, welches die wenigstens eine Energiespeicherkomponente nach oben hin abdeckt.
  • Die DE 10 2011 076 737 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie, mit einem elektrochemischen Energiespeicher, insbesondere einem Traktionsakkumulator, und mit einer Brennstoffzellenanordnung zur Erzeugung elektrischer Energie. Der elektrochemische Energiespeicher ist mit der Brennstoffzellenanordnung mittels einer Wärmeübertragungsanordnung thermisch gekoppelt oder koppelbar. Im Besonderen ist dabei vorgesehen, dass eine Heizeinrichtung (PTC-Heizung) der Brennstoffzelle und der elektrochemische Energiespeicher in einem ersten Fluidsystem und die Brennstoffzelle in einem zweiten Fluidsystem angeordnet sind. Alternativ dazu ist vorgesehen, dass die Heizeinrichtung (PTC-Heizung) der Brennstoffzelle und die Brennstoffzelle im ersten Fluidsystem und der elektrochemische Energiespeicher im zweiten Fluidsystem angeordnet sind. Die beiden Fluidsysteme sind über einen als separates Bauteil ausgebildeten Wärmetauscher thermisch miteinander gekoppelt.
  • Die DE 10 2011 121 245 A1 offenbart ein System zur Konditionierung eines Energiespeichersystems, wie einer Hochspannungsbatterie oder Brennstoffzelle, durch Erwärmung oder Kühlung. Hierzu sind eine Heizeinheit und eine Kühleinheit vorgesehen, welche thermisch mit dem Energiespeichersystem gekoppelt sind. Die Heizeinheit kann ein oder mehrere Heizelemente in enger Nähe zu verschiedenen Abschnitten des Energiespeichersystems aufweisen. Die Heizeinheit ist durch Heizelemente, Wasserummantelungen, Heizpolster, Heizmatten oder dergleichen mehr gebildet. Die Kühleinheit kann ein oder mehrere Kühlelemente in enger Nähe zu verschiedenen Abschnitten des Energiespeichersystems aufweisen. Die Kühleinheit ist durch Kühlgebläse, Wasserummantelungen, Luftdurchgänge, Kühlkörper, thermoelektrische Kühler, Kondensatoren oder dergleichen mehr gebildet.
  • Die US 2017/282676 A1 offenbart einen elektrochemischen Energiespeicher mit zwei Wärmetauschern, die an zwei Temperierungsfluid-Kreisläufe angeschlossen sind.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeug mit zumindest einem elektrochemischen Energiespeicher zu schaffen, welches Fahrzeug im Hinblick auf den Stand der Technik eine alternative Temperierung des elektrochemischen Energiespeichers ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.
  • Vorteilhaft wird zum einen eine direkte und damit leistungsfähige sowie sichere Temperierung des elektrochemischen Energiespeichers bei minimiertem Investitionsaufwand sowie Bauraum ermöglicht. Zum anderen ist durch das Vorsehen von zumindest zwei Temperierungsfluid-Kreisläufen eine einfache und kostengünstige Darstellung sowohl einer Heizungs- als auch einer Kühlfunktionalität ermöglicht, um ein möglichst optimales Temperatur-Betriebsfenster für den elektrochemischen Energiespeicher zur Verfügung zu stellen.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest ein Temperierungsfluid-Kreislauf durch einen Hochtemperatur-Kreislauf (HT) und zumindest ein weiterer Temperierungsfluid-Kreislauf durch einen Niedrigtemperatur-Kreislauf (NT) des Fahrzeugs gebildet ist. Durch diese Maßnahme ist es in vorteilhafter Weise ermöglicht, bei besonders kalten Temperaturen unter Zuhilfenahme des Hochtemperatur-Kreislaufes (HT) den elektrochemischen Energiespeicher zur Erreichung des optimalen Temperatur-Betriebsfensters schnell aufzuwärmen und im Anschluss daran unter Zuhilfenahme des Niedrigtemperatur-Kreislaufes (NT) dieses optimale Temperatur-Betriebsfenster zu halten.
  • Wie die Erfindung weiter vorsieht, ist der Hochtemperatur-Kreislauf (HT) durch einen Kühlkreislauf einer Brennstoffzellenanordnung gebildet oder in einen solchen eingebunden. Hierdurch ist eine direkte Einkopplung der Abwärme der Brennstoffzellenanordnung in den elektrochemischen Energiespeicher ermöglicht.
  • Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen oder Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass im Hochtemperatur-Kreislauf (HT) ein Fluidstrom mit Temperaturen zwischen 80°C und 120°C und im Niedrigtemperatur-Kreislauf (NT) ein Fluidstrom mit Temperaturen zwischen 10°C und 30°C zirkulieren.
  • Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung sind der zumindest eine Hochtemperatur-Kreislauf (HT) und der zumindest eine Niedrigtemperatur-Kreislauf (NT) voneinander separiert in besagten Wärmetauscher eingebunden, wodurch die Temperatursteuerung vereinfacht ist.
  • Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung sind die Fluidströme des zumindest einen Hochtemperatur-Kreislaufes (HT) und des zumindest einen Niedrigtemperatur-Kreislaufes (NT) innerhalb des besagten Wärmetauschers zumindest temporär vereint, indem die Temperierungsfluide der beiden Temperierungsfluid-Kreisläufe sozusagen im Wärmetauscher gemischt werden, wodurch die Leistungsfähigkeit der Temperatursteuerung weiter verbesserbar ist.
  • Wie die Erfindung weiter vorsieht, ist der Hochtemperatur-Kreislauf (HT) bevorzugt durch einen Kühlkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine und/oder einer Brennstoffzellenanordnung gebildet oder in einen solchen eingebunden. Hierdurch ist eine direkte Einkopplung der Abwärme der Verbrennungskraftmaschine und/oder der Brennstoffzellenanordnung in den elektrochemischen Energiespeicher ermöglicht.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Niedrigtemperatur-Kreislauf (NT) durch einen an sich bekannten und üblicherweise sowieso vorhandenen Klimatisierungskreislauf insbesondere zur Klimatisierung der Fahrgastzelle des Fahrzeugs gebildet oder in einen solchen eingebunden ist, wodurch der Investitionsaufwand gemindert ist. Unter Klimatisierung wird insoweit sowohl Kühlung als auch Erwärmung verstanden.
  • Bevorzugt sind die Temperierungsfluid-Kreisläufe durchflussgeregelt ausgebildet, indem der jeweilige Fluiddurchfluss durch den Wärmetauscher in Abhängigkeit erfasster Temperaturen, insbesondere des elektrochemischen Energiespeichers, und unter Zuhilfenahme an sich bekannter Steuer- und Regelungstechnik geöffnet, gedrosselt oder geschlossen wird.
  • Gemäß einer besonders praxisnahen Ausführung des zumindest einen Wärmetauschers ist derselbe durch einen Gehäuseboden und/oder eine Gehäusewandung und/oder einen Gehäusedeckel des Gehäuses des elektrochemischen Energiespeichers gebildet oder als Ein- oder Anbauteil das besagte Gehäuse unmittelbar oder mittelbar über Wärmeübertragungsmittel kontaktierend an dasselbe angebracht.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen Fahrzeug handelt es sich bevorzugt um ein Hybrid- oder Plug-in-Hybrid-Fahrzeug oder ein Elektro-Fahrzeug, welches zumindest einen Range-Extender aufweist, wobei besagter Range-Extender durch eine Verbrennungskraftmaschine und/oder eine Brennstoffzellenanordnung gebildet ist. Insoweit verfügt ein derartiges Fahrzeug über zumindest einen elektrischen Antrieb, welcher mittels zumindest eines elektrochemischen Energiespeichers in Form einer als Traktionsbatterie fungierenden sogenannten Hochvoltbatterie (HV-Batterie) mit elektrischer Energie versorgt wird.
  • Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf dieses beschränkt, sondern erfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen. Die einzige Figur 1 zeigt äußerst schematisch ein erfindungsgemäß mit einer Temperierung eines elektrochemischen Energiespeichers ausgestattetes Fahrzeug.
  • In Fig. 1 sind ein äußerst schematisch dargestelltes Fahrzeug in Form eines Personenkraftwagens mit dem Bezugszeichen 1 und ein äußerst schematisch dargestellter, wiederaufladbarer elektrochemischer Energiespeicher in Form einer als Traktionsbatterie fungierenden Hochvoltbatterie (HV-Batterie / Akkumulator) mit dem Bezugszeichen 2 versehen. Der besagte elektrochemische Energiespeicher 2 dient im Wesentlichen dazu, zumindest einen nicht zeichnerisch dargestellten Elektro-Antriebsmotor mit elektrischer Energie zu versorgen. Das Fahrzeug 1 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine äußerst schematisch dargestellte Brennstoffzellenanordnung 3 auf.
  • Wie bereits einleitend dargetan, ist der Wirkungsgrad elektrochemischer Energiespeicher 2 temperaturabhängig und nimmt bei niedriger Temperatur stark ab. Darüber hinaus ist festzustellen, dass im Fahrbetrieb des Fahrzeugs 1 sowie in der Ladephase derartiger elektrochemischer Energiespeicher 2 durch elektrische Verlustleistung in stromführenden Bauteilen Wärme in das System eingetragen wird, die zu einer hohen thermischen Belastung der elektrochemischen Energiespeicher 2 führen kann.
  • Um diesen nachteiligen Umständen zu begegnen, ist vorliegend ein Mittel zur Temperierung, d.h. Erwärmung und gegebenenfalls Kühlung des elektrochemischen Energiespeichers 2 in Form zumindest eines Wärmetauschers 4 vorgesehen. Der Wärmetauscher 4 ist in ein Gehäuse 5 des elektrochemischen Energiespeichers 2 integriert und an wenigstens zwei, vorliegend einen ersten und einen zweiten Temperierungsfluid-Kreislauf 6, 7 des Fahrzeugs 1 angeschlossen ist.
  • Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher 4 integraler Bestandteil eines Gehäusebodens 5a derart, dass in denselben separate Fluidkanäle 8, 9 eingearbeitet sind, die an jeweils einen der Temperierungsfluid-Kreisläufe 6, 7 angeschlossen sind. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf besagten Gehäuseboden 5a, sondern erfasst auch Ausgestaltungen, die zusätzlich oder in Alleinstellung eine oder mehrere Gehäusewandungen 5b oder einen Gehäusedeckel 5c vorsehen, bei denen der Wärmetauscher 4 integraler Bestandteil derselben ist (nicht zeichnerisch dargestellt). Alternativ sind auch Lösungen durch die Erfindung mit erfasst, bei denen der Wärmetauscher 4 als Ein- oder Anbauteil ausgebildet und am Gehäuse 5 angebracht ist, indem er dieses unmittelbar oder mittelbar über ein Wärmeübertragungsmittel, wie eine Wärmeleitfolie oder dergleichen, kontaktiert (nicht zeichnerisch dargestellt). Für den Fachmann versteht es sich von selbst, dass der in das Gehäuse 5, vorliegend in den Gehäuseboden 5a desselben integrierte Wärmetauscher 4 thermisch an die nicht zeichnerisch dargestellten Zellen respektive Primärzellen des elektrochemischen Speichers 2 angeschlossen ist.
  • Der erste Temperierungsfluid-Kreislauf 6 des Fahrzeugs 1 ist durch einen Hochtemperatur-Kreislauf (HT), wogegen der zweite Temperierungsfluid-Kreislauf 7 des Fahrzeugs 1 durch einen Niedrigtemperatur-Kreislauf (NT) gebildet bzw. in einen solchen eingebunden ist. Innerhalb der Temperierungsfluid-Kreisläufe 6, 7 zirkuliert jeweils ein Temperierungsfluid. Der Fluidstrom wird jeweils mittels einer Zirkulationspumpe 10 bewirkt.
  • Der erste Temperierungsfluid-Kreislauf 6 dient der Kühlung der Brennstoffzellenanordnung 3.
  • Im Hinblick darauf sind in diesen ersten Temperierungsfluid-Kreislauf 6 neben besagter Brennstoffzellenanordnung 3, der Fluidkanal 8 des Gehäusebodens 5a, ein Ausgleichsbehälter 11 und frontseitig des Fahrzeugs 1 ein an sich bekannter Fahrzeugkühler 12 mit Gebläse 13 eingebunden. Der Fluidkanal 8 ist dabei zweckmäßigerweise im Rücklauf der Brennstoffzellenanordnung 3 angeordnet.
  • Im ersten Temperierungsfluid-Kreislauf 6 respektive Hochtemperatur-Kreislauf (HT) zirkuliert ein Fluidstrom mit Temperaturen zwischen etwa 80°C und etwa 120°C. Insbesondere bei Frosttemperaturen sind diese Temperaturen besonders gut geeignet, den elektrochemischen Energiespeicher 2 schnell auf eine sogenannte Wohlfühltemperatur in einem optimalen Temperatur-Betriebsfenster von etwa 10°C bis etwa 30°C zu erwärmen. Der Fluidstrom im ersten Temperierungsfluid-Kreislauf 6 respektive Hochtemperatur-Kreislauf (HT) erfolgt durchflussgeregelt mittels an sich bekannter Ventile 14, insbesondere 3/2-Wegeventile, die bevorzugt mittels einer nicht zeichnerisch dargestellten elektronischen Steuereinheit in Abhängigkeit mittels nicht zeichnerisch dargestellter Temperatursensoren erfasster aktueller Temperaturen des elektrochemischen Energiespeichers 2 und/oder des Temperierungsfluids und/oder der erfassten Außentemperatur angesteuert werden.
  • Der zweite Temperierungsfluid-Kreislauf 7 bzw. Niedrigtemperatur-Kreislauf (NT) des Fahrzeugs 1 ist durch einen an sich bekannten und im Fahrzeug 1 üblicherweise vorhandenen Klimatisierungskreislauf gebildet bzw. in einen solchen eingebunden, indem dieser durch den Fluidkanal 9 des Gehäusebodens 5a geführt ist. Auf die Darstellung von Ventilen 14 und Sensoren einer bevorzugt elektronischen Steuereinheit, einer Zirkulationspumpe 10, eines etwaigen Ausgleichsbehälters 10 und etwaiger anderer eventuell erforderlicher Einrichtungen des zweiten Temperierungsfluid-Kreislaufes 7 wurde der Einfachheit halber verzichtet, da diese nicht erfindungswesentlich sind.
  • Im zweiten Temperierungsfluid-Kreislauf 7 respektive Niedrigtemperatur-Kreislauf (NT) zirkuliert ein Fluidstrom mit Temperaturen zwischen etwa 10°C und etwa 30°C. Dieser ist besonders gut geeignet, den elektrochemischen Energiespeicher 2 auf der besagten Wohlfühltemperatur im optimalen Temperatur-Betriebsfenster von etwa 10°C bis etwa 30°C zu halten. Der Fluidstrom im zweiten Temperierungsfluid-Kreislauf 7 respektive Niedrigtemperatur-Kreislauf (NT) erfolgt bevorzugt ebenfalls durchflussgeregelt.
  • Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel stellt auf zwei innerhalb des Wärmetauschers 4 voneinander separierte Temperierungsfluid-Kreisläufe 6, 7 ab. Demgegenüber kann auch vorgesehen sein und ist demgemäß durch die Erfindung mit erfasst, dass die Temperierungsfluidströme der Temperierungsfluid-Kreisläufe 6, 7 bzw. des Hoch- und Niedrigtemperatur-Kreislaufes (HT, NT) innerhalb des besagten Wärmetauschers 4 zumindest temporär vereint sind (nicht zeichnerisch dargestellt). D. h., die Temperierungsfluide der beiden Temperierungsfluid-Kreisläufe 6, 7 werden sozusagen in einem gemeinsamen Fluidkanal des Wärmetauschers 4 gemischt, wodurch wie bereits oben ausgeführt die Leistungsfähigkeit der Temperatursteuerung weiter verbesserbar ist.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Fahrzeug
    2
    elektrochemischer Energiespeicher
    3
    Brennstoffzellenanordnung
    4
    Wärmetauscher
    5
    Gehäuse
    5a
    Gehäuseboden
    5b
    Gehäusewandung
    5c
    Gehäusedeckel
    6
    erster Temperierungsfluid-Kreislauf
    7
    zweiter Temperierungsfluid-Kreislauf
    8
    Fluidkanal (erster Temperierungsfluid-Kreislauf 6)
    9
    Fluidkanal (zweiter Temperierungsfluid-Kreislauf 7)
    10
    Zirkulationspumpe
    11
    Ausgleichsbehälter
    12
    Fahrzeugkühler
    13
    Gebläse
    14
    Ventil
    (HT)
    Hochtemperatur-Kreislauf
    (NT)
    Niedrigtemperatur-Kreislauf

Claims (9)

  1. Fahrzeug (1) mit zumindest einem elektrochemischen Energiespeicher (2), welcher Energiespeicher (2) wenigstens ein Mittel zur Temperierung aufweist, wobei das Mittel zur Temperierung durch zumindest einen in ein Gehäuse (5) des zumindest einen elektrochemischen Energiespeichers (2) integrierten Wärmetauscher (4) gebildet ist, welcher Wärmetauscher (4) an wenigstens zwei Temperierungsfluid-Kreisläufe (6, 7) des Fahrzeugs (1) angeschlossen ist, wobei zumindest ein Temperierungsfluid-Kreislauf (6) durch einen Hochtemperatur-Kreislauf (HT) und zumindest ein weiterer Temperierungsfluid-Kreislauf (7) durch einen Niedrigtemperatur-Kreislauf (NT) des Fahrzeugs (1) gebildet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperatur-Kreislauf (HT) durch einen Kühlkreislauf einer Brennstoffzellenanordnung gebildet oder in einen solchen eingebunden ist.
  2. Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Hochtemperatur-Kreislauf (HT) ein Fluidstrom mit Temperaturen zwischen 80°C und 120°C und im Niedrigtemperatur-Kreislauf (NT) ein Fluidstrom mit Temperaturen zwischen 10°C und 30°C zirkulieren.
  3. Fahrzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Hochtemperatur-Kreislauf (HT) und der zumindest eine Niedrigtemperatur-Kreislauf (NT) voneinander separiert in besagten Wärmetauscher (4) eingebunden sind.
  4. Fahrzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidströme des zumindest einen Hochtemperatur-Kreislaufes (HT) und des zumindest einen Niedrigtemperatur-Kreislaufes (NT) innerhalb des besagten Wärmetauschers (4) zumindest temporär vereint sind.
  5. Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperatur-Kreislauf (HT) durch einen Kühlkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine (3) gebildet oder in einen solchen eingebunden ist.
  6. Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Niedrigtemperatur-Kreislauf (NT) durch einen Klimatisierungskreislauf des Fahrzeugs (1) gebildet oder in einen solchen eingebunden ist.
  7. Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierungsfluid-Kreisläufe (6, 7) durchflussgeregelt ausgebildet sind.
  8. Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Wärmetauscher (4) durch einen Gehäuseboden (5a) und/oder eine Gehäusewandung (5b) und/oder einen Gehäusedeckel (5c) des Gehäuses (5) des elektrochemischen Energiespeichers (2) gebildet oder als Ein- oder Anbauteil das besagte Gehäuse (5) unmittelbar oder mittelbar über Wärmeübertragungsmittel kontaktierend an dasselbe angebracht ist.
  9. Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (1) ein Hybrid- oder Plug-in-Hybrid-Fahrzeug (1) oder ein Elektro-Fahrzeug (1) ist, welches zumindest einen Range-Extender aufweist, wobei besagter Range-Extender durch eine Verbrennungskraftmaschine (3) und/oder eine Brennstoffzellenanordnung gebildet ist.
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